石灰、水泥改良膨胀土性能试验研究

贾红卫

（甘肃省平凉市公路局，甘肃 平凉 744000）

0 引言

膨胀土作为一种具有特殊性质的黏土，因其主要成分包含有蒙脱石-伊利石等矿物，而具有较强吸水性、较大的塑性且失水后极易产生裂隙等特性，同时其固结状态较好、压缩性较小。从土体整体性方面而言，膨胀土裂隙的存在会破坏其完整性。另一方面，由于出现裂隙的不规则性，极大地削弱了土体的承载能力。在实际工程中，由于膨胀土的不良工程特性，在膨胀土地区建设的边坡、路基和地基等工程造成的危害往往具有长期潜在性、突发性和反复性的特点。例如，外界荷载和环境等因素的作用，使得膨胀土边坡产生滑移，会造成边坡周边建筑物开裂、倾斜等危害。在公路工程中，膨胀土的涨缩特性易使路堑表面溜坍和浅层滑坡、路肩错落等。因此由膨胀土引发的工程地质问题已成为人们的关注焦点[1-3]，提出合理的解决办法已刻不容缓。

目前对于膨胀土的改良措施，国内众多学者已取得很多成果，并为其在工程中的应用奠定了坚实的基础。汪海洋[4]在通过大量室内试验的基础上，对膨胀土做添加水泥黏结料的改良处理，发现水泥可有效改善膨胀土的力学性能，降低其胀缩性带来的危害。陈善雄等[5]通过向膨胀土内添加一定含量的石灰达到改善其性能的效果，发现石灰对中膨胀土改性效果显著，能有效抑制其胀缩趋势并提高土体强度。S.Akbulut等[6]研究了水泥、石灰和粉煤灰对膨胀土的加固机理，结果表明石灰和粉煤灰的机理较为接近，是通过减小膨胀土间的离子交换能力实现加固的；相反水泥则是增加了膨胀土的离子交换能力，但增加幅度并不显著。

上述学者的众多成果多数停留在某一种改良剂下对膨胀土的改良效果进行研究，而较少将不同改良剂下膨胀土的改良效果进行对比。基于此，本文主要通过室内试验研究，对水泥和石灰两种不同的添加剂对膨胀土的改良效果做对比分析，以期为其在工程中的应用提供参考。

1 改良膨胀土的作用机理

1.1 石灰改良膨胀土机理分析

石灰改良膨胀土作为应用较早且在工程中应用较为广泛的方法，其主要是利用石灰与土颗粒中的某些成分发生化学反应而达到改善土体的目的。当石灰与膨胀土充分拌和后，引起膨胀土出现结块、可塑性降低，同时土体的最佳含水率增大而最大干密度缩小等物理性质的改变。改良过程中所涉及的反应阶段主要有水化反应和胶凝作用。

1.1.1 水化反应

生石灰在于大量的水经历水化反应后生成Ca（OH）2，其中 Ca2+和（OH）-离子会与土体的胶体颗粒表面含有的Na+、K+进行离子置换，土体中Ca2+含量增加，减小了土粒之间的距离，从而增强土体的黏结力。因此所提供的石灰中活性氧化钙的含量越高，改善膨胀土的效果越好。

1.1.2 凝结作用

膨胀土中的SiO2和Al2O3在生石灰与水发生水化反应后逐步硬化凝结形成一层稳定的保护膜覆盖在土粒外围的水化物，因其黏结力极强而使土体凝结成一个整体。

1.2 水泥改良膨胀土机理分析

水泥改良膨胀土主要是当水泥与水混合后，水泥遇水发生水化反应生成Ca（OH）2，土中的Ca2+含量急剧增加，在反应后较短时间内土体中Ca（OH）2达到饱和。随着Ca2+被大量释放，土体的黏结力增强从而实现对土体的加固。同时在后续过程中，Ca（OH）2与空气中的二氧化碳发生氧化反应生成耐水性较强的碳酸钙，提高了膨胀土的强度。相关学者[7-8]在经过大量试验后认为，随水泥掺量的增加，膨胀土的强度也会提高，但随着水泥水化反应的不断发生，会大量消耗膨胀土内部的水分，包括游离的自由水和土颗粒内部的结合水，这样就会使黏土矿物发生干缩和开裂，反而造成膨胀土强度下降，减弱膨胀土的稳定性。因此对于采用水泥改良膨胀土时，应严格控制水泥的掺入量。

2 改良膨胀土室内试验

2.1 改良膨胀土的基本物理指标

由于膨胀土的膨胀性主要由膨胀土的一般物理指标决定，因此在对膨胀土做改良之前必须对其基本的物理参数进行确定。本节试验取改良膨胀土土样进行室内常规的土工试验，分别测得膨胀土的颗粒分析、液塑限等基本物理指标，采用X射线衍射仪对土体中所含的矿物成分进行分析。根据液塑限试验、颗粒分析及矿物含量结果，评定该膨胀土为中膨胀土。对素土进行轻型击实试验，得出该土样的最大干密度为1.76 g/cm3，最优含水率为15.19%。土的物理性质指标见表1，颗粒分析试验结果见表2。

2.2 试验方案

本文试验所用改良剂分别有生石灰粉和32.5级的普通硅酸盐水泥两种。其中生石灰中CaO的含量为75.44%，MgO为0.39%。改良试验中，为了更加精准研究改良剂的改良效果，对于两种改良剂的掺合比均为4.0%、5.0%、6.0%和8.0%四种。掺灰后的膨胀土土样按照扰动土样的植被程序重新制备[9-10]，经28 d标准养护后取出试件开展相关试验。对掺入改良剂的膨胀土进行界限含水率、自由膨胀率和28 d无侧限抗压强度进行研究。通过重型击实试验确定不同掺入比下膨胀土的最大干密度和最佳含水率，在此基础上重新制备土样，经标准养护28 d后测试土样的无侧限抗压强度。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

不同掺合比的改良膨胀土物理力学性质见表3。

表3 不同掺合比下改良膨胀土物理力学指标

3.2 结果分析

3.2.1 界限含水率

表1 膨胀土物理性质指标

表2 颗粒分析试验

土的界限含水是反映土颗粒的亲水能力，一般包括液限、塑限和塑性指数。其中，液限和塑限可以更好地反映土体特性，塑性指数一般可作为判定膨胀土的分类标准。

从图1中可以看出，膨胀土经添加改良剂后，膨胀土的亲水性逐渐下降。同时对比两种改良剂发现，石灰对膨胀土的改良略比水泥好。就石灰改良膨胀土而言，随掺灰量的逐渐增加，改良土的液限下降幅度较为明显，当掺灰量为8%时，液限整体下降28%。相对液限而言，塑限的下降趋势较为平缓，且当掺灰量由6%增加至8%的过程中，塑性下降量仅为1.3。由于液限的下降幅度更大，改良土的塑性指数亦呈下降趋势，亦即膨胀土的膨胀性减小。分析原因，随掺灰量的增加，膨胀土土体的亲水性能变弱，膨胀性减小。

图1 改良剂掺量对界限含水率的影响曲线

3.2.2 自由膨胀率

自由膨胀率作为反映膨胀土胀缩性的特征指标，其与膨胀土的矿物成分、黏粒含量和化学组成等密切相关。膨胀土在与不同掺量的改良剂拌和后，其自由膨胀率明显下降，说明改良剂起到了改善膨胀土的目的。由图2可知，随石灰掺量的不断增大，膨胀土的自由膨胀率明显下降，与膨胀土的原土相比下降了43.22%；但当石灰掺量超过6%后，自由膨胀率的下降趋势变得较为平缓，说明此时增大石灰的掺入量并不能有效减小其自由膨胀率。随水泥掺量的不断增加，膨胀土的自由膨胀率亦有下降，但下降幅度较石灰略小，且当水泥掺量为8%时，自由膨胀率有所上升。因此可见改良剂的掺量并非越多越好，在工程应用中建议采用的改良剂掺量为6%。

3.2.3 无侧限抗压强度

由图3可知，膨胀土在加入改良剂后的无侧限抗压强度得到明显提升，当改良剂掺量均为4%时，与不添加改良剂时的无侧限抗压强度相比，石灰的提升了将近3倍，而水泥的大约提升了1.9倍。由此可见，石灰较水泥能够更好地改善膨胀土强度。同时注意到，当石灰作为改良剂时，随石灰掺入量的增大，改良土的无侧限抗压强度呈逐渐增加的趋势，尤以掺灰量4%提升至5%时强度变化较为明显。后期随掺入石灰量的增加，改良土无侧限抗压强度增加幅度逐渐下降。当水泥作为改良剂时，掺入量由4%变化到6%时，无侧限抗压强度大致呈线性增加；但掺入量增大至8%时，无侧限抗压强度几乎没有变化。

图2 改良剂掺量对自由膨胀率的影响曲线

图3 改良剂掺量对无侧限抗压强度的影响曲线

4 结语

本文通过室内试验以膨胀土为主要研究对象，将石灰和水泥作为改良剂，研究了改良剂对膨胀土的界限含水率、自由膨胀率以及无侧限抗压强度的影响。结论如下：

（1）石灰的改良效果略优于水泥的改良效果。

（2）石灰和水泥均可使膨胀土的液限大幅度降低，但以石灰更为显著。两者对塑限的影响较液限小，因此可使膨胀土的塑性指数减小，从而降低膨胀土的亲水能力，提高其稳定性。

（3）自由膨胀率作为反映膨胀土的特性指标，经改良后的膨胀土土体的自由膨胀率得到有效降低，但并非随改良剂掺量的增加，自由膨胀率一直下降。建议工程应用中取改良剂掺量为6%为宜。

（4）改良剂可明显提高膨胀土的无侧限抗压强度。当石灰掺量在4%左右时，其所达到的强度是原素土强度的近3倍。但当掺入量逐渐增加到8%时，两种改良剂下膨胀土的无侧限抗压强度均没有明显提高。